摘要：研究人員近日成功將單細胞RNA測序（scRNA-seq）和單細胞質(zhì)譜分析（scMS）應(yīng)用在同一植物細胞上。
植物通過復(fù)雜的生物合成途徑產(chǎn)生重要的代謝物（比如紫杉醇和長春堿），這類代謝過程通常涉及到多個基因。隨著單細胞組學技術(shù)不斷進步，現(xiàn)已能夠測定單個細胞中的基因表達水平和代謝物濃度。
德國馬克斯·普朗克化學生態(tài)學研究所的研究人員近日成功將單細胞RNA測序（scRNA-seq）和單細胞質(zhì)譜分析（scMS）應(yīng)用在同一植物細胞上。這種新方法首次讓科學家能夠?qū)⒒虮磉_與代謝物豐度直接關(guān)聯(lián)。
這項研究成果于10月24日發(fā)表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，有助于闡明復(fù)雜植物天然產(chǎn)物的生物合成。這有望增進我們對植物代謝過程的理解，并加速植物藥的可持續(xù)發(fā)展。
藥用植物通過一系列酶促反應(yīng)生成復(fù)雜的化合物。不過，生物合成通常不會在單個細胞內(nèi)完成，而是將各個步驟分配給不同類型的細胞。
圖1 單細胞代謝組與RNA-seq在單個植物細胞中的聯(lián)用分析
每個細胞負責特定的反應(yīng)，然后將中間產(chǎn)物運輸?shù)狡渌毎M行后續(xù)加工。此外，代謝物可能高濃度積累，一是為了儲存，二是為了調(diào)節(jié)各個代謝途徑之間的供需平衡。
共同第一作者Moonyoung Kang解釋說：“這些過程形成了復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)，因此只有整合同一細胞的基因表達和代謝數(shù)據(jù)才能全面了解其機制?！?/div>
圖2 單個植物原生質(zhì)體的多重分析
研究人員將細胞比作一家服裝廠，scRNA-seq顯示工廠能生產(chǎn)哪些服裝以及有多少張設(shè)計圖紙，而scMS則反映當前有多少庫存產(chǎn)品。
庫存高雖意味著產(chǎn)量高，但也可能暗示運輸延遲。相反，如果產(chǎn)品立即發(fā)貨，即便工廠滿負荷運轉(zhuǎn)，庫存也可能看似空空如也。
因此，為了全面了解天然產(chǎn)物的生產(chǎn)過程，研究人員整合兩種單細胞技術(shù)來分析同一植物細胞。
這種方法首先將單個細胞捕獲在微孔板中，隨后由機器人將每個細胞單獨轉(zhuǎn)移至96孔板中。細胞經(jīng)過裂解，將其內(nèi)容物（基因、蛋白質(zhì)、代謝物和細胞器）釋放到水溶液中。裂解液被分為兩份樣本：一份用于基因表達分析 (scRNA-seq)，另一份用于代謝分析 (scMS)。
圖2 單個植物原生質(zhì)體的多重分析
共同第一作者Anh Hai Vu表示：“每個細胞都處于96孔板上的特定位置，因此后續(xù)可準確識別每個數(shù)據(jù)點。這使得我們能夠?qū)⒓毎幕蚧钚耘c其代謝特征直接匹配。”
研究團隊在藥用植物長春花（Madagascar periwinkle）上驗證了這種新方法?？拱┧幬镩L春堿和長春新堿正是從這種植物中提取出來的。
他們在單細胞層面評估了代謝物水平與基因表達的相關(guān)性。對于一些代謝物，他們觀察到其與生物合成基因的表達存在顯著相關(guān)性。例如，長春堿前體文多靈（vindoline）與D4H、DAT和NMT基因的表達高度相關(guān)。
共同通訊作者Sarah O'Connor總結(jié)道：“我們相信，新方法將清晰揭示參與生物合成的細胞類型，加快對重要植物的天然產(chǎn)物合成途徑的解析。它還能鑒定其他藥用植物中未被表征的細胞類型，并有助于比較不同物種進化出的多樣化運輸策略。”
研究人員目前正在優(yōu)化工作流程中的多個步驟，并實現(xiàn)部分操作的自動化，以提高重復(fù)性，并縮短實驗時間。他們還在努力降低每次實驗的成本，讓該方法惠及更廣泛的用戶群體。
參考資料
[1] Single-cell metabolome and RNA-seq multiplexing on single plant cells
摘要：研究人員近日成功將單細胞RNA測序（scRNA-seq）和單細胞質(zhì)譜分析（scMS）應(yīng)用在同一植物細胞上。
植物通過復(fù)雜的生物合成途徑產(chǎn)生重要的代謝物（比如紫杉醇和長春堿），這類代謝過程通常涉及到多個基因。隨著單細胞組學技術(shù)不斷進步，現(xiàn)已能夠測定單個細胞中的基因表達水平和代謝物濃度。
德國馬克斯·普朗克化學生態(tài)學研究所的研究人員近日成功將單細胞RNA測序（scRNA-seq）和單細胞質(zhì)譜分析（scMS）應(yīng)用在同一植物細胞上。這種新方法首次讓科學家能夠?qū)⒒虮磉_與代謝物豐度直接關(guān)聯(lián)。
這項研究成果于10月24日發(fā)表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，有助于闡明復(fù)雜植物天然產(chǎn)物的生物合成。這有望增進我們對植物代謝過程的理解，并加速植物藥的可持續(xù)發(fā)展。
藥用植物通過一系列酶促反應(yīng)生成復(fù)雜的化合物。不過，生物合成通常不會在單個細胞內(nèi)完成，而是將各個步驟分配給不同類型的細胞。
圖1 單細胞代謝組與RNA-seq在單個植物細胞中的聯(lián)用分析
每個細胞負責特定的反應(yīng)，然后將中間產(chǎn)物運輸?shù)狡渌毎M行后續(xù)加工。此外，代謝物可能高濃度積累，一是為了儲存，二是為了調(diào)節(jié)各個代謝途徑之間的供需平衡。
共同第一作者Moonyoung Kang解釋說：“這些過程形成了復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)，因此只有整合同一細胞的基因表達和代謝數(shù)據(jù)才能全面了解其機制?！?/div>
圖2 單個植物原生質(zhì)體的多重分析
研究人員將細胞比作一家服裝廠，scRNA-seq顯示工廠能生產(chǎn)哪些服裝以及有多少張設(shè)計圖紙，而scMS則反映當前有多少庫存產(chǎn)品。
庫存高雖意味著產(chǎn)量高，但也可能暗示運輸延遲。相反，如果產(chǎn)品立即發(fā)貨，即便工廠滿負荷運轉(zhuǎn)，庫存也可能看似空空如也。
因此，為了全面了解天然產(chǎn)物的生產(chǎn)過程，研究人員整合兩種單細胞技術(shù)來分析同一植物細胞。
這種方法首先將單個細胞捕獲在微孔板中，隨后由機器人將每個細胞單獨轉(zhuǎn)移至96孔板中。細胞經(jīng)過裂解，將其內(nèi)容物（基因、蛋白質(zhì)、代謝物和細胞器）釋放到水溶液中。裂解液被分為兩份樣本：一份用于基因表達分析 (scRNA-seq)，另一份用于代謝分析 (scMS)。
圖2 單個植物原生質(zhì)體的多重分析
共同第一作者Anh Hai Vu表示：“每個細胞都處于96孔板上的特定位置，因此后續(xù)可準確識別每個數(shù)據(jù)點。這使得我們能夠?qū)⒓毎幕蚧钚耘c其代謝特征直接匹配。”
研究團隊在藥用植物長春花（Madagascar periwinkle）上驗證了這種新方法。抗癌藥物長春堿和長春新堿正是從這種植物中提取出來的。
他們在單細胞層面評估了代謝物水平與基因表達的相關(guān)性。對于一些代謝物，他們觀察到其與生物合成基因的表達存在顯著相關(guān)性。例如，長春堿前體文多靈（vindoline）與D4H、DAT和NMT基因的表達高度相關(guān)。
共同通訊作者Sarah O'Connor總結(jié)道：“我們相信，新方法將清晰揭示參與生物合成的細胞類型，加快對重要植物的天然產(chǎn)物合成途徑的解析。它還能鑒定其他藥用植物中未被表征的細胞類型，并有助于比較不同物種進化出的多樣化運輸策略?！?/div>
研究人員目前正在優(yōu)化工作流程中的多個步驟，并實現(xiàn)部分操作的自動化，以提高重復(fù)性，并縮短實驗時間。他們還在努力降低每次實驗的成本，讓該方法惠及更廣泛的用戶群體。
參考資料
[1] Single-cell metabolome and RNA-seq multiplexing on single plant cells
